LE PHOSPHORE DE LA VIE, NÉ PARMI LES ÉTOILES

Le phosphore est rare dans le cosmos. Dans l’atmosphère du Soleil, on compte environ 3 atomes de phosphore pour 10 millions d’atomes d’hydrogène — à peu près cent fois moins que d’atomes de soufre. Pourtant, la vie ne peut pas s’en passer : les phosphates sont essentiels à l’ADN et à l’ARN, porteurs de l’information génétique, à l’ATP et aux phospholipides.

Comment le phosphore est devenu disponible pour la première chimie du vivant reste une question ouverte. Un indice cité par les auteurs : des grains inhabituellement riches en phosphore, différents de ceux des autres météorites, ont été trouvés dans les échantillons rapportés de l’astéroïde Ryugu — signe que des roches spatiales ont pu livrer du phosphore à la Terre primitive.

Une courte liste de molécules

Les radioastronomes ont identifié plus de 40 molécules contenant du soufre dans l’espace interstellaire. Pour les molécules qui lient le phosphore au carbone, la liste s’arrête à trois : CP, CCP et HCP, toutes trouvées dans les enveloppes de vieilles étoiles riches en carbone, plus une détection provisoire. Les chimistes ont proposé bien d’autres candidates plus complexes, mais on connaît mal la façon dont elles se forment et se détruisent.

Dans les nuages de gaz diffus, le phosphore existe surtout sous forme d’ion positif, P⁺. Une réaction paraissait particulièrement prometteuse : P⁺ rencontrant l’acétylène (C₂H₂), une molécule carbonée courante. Sa seule mesure date de 1989-1990, à température ambiante, et les bases de données d’astrochimie supposent simplement la même vitesse à toute température. Un calcul de 2012, lui, prédisait une vitesse dix fois plus faible. Quelque chose ne collait pas.

Des ions rencontrent l’acétylène à SOLEIL

Matteo Michielan, Daniela Ascenzi (université de Trente, Italie), Alexandre Zanchet (CSIC, Madrid) et leurs collègues en France, en Espagne et en Tchéquie sont retournés au laboratoire. Au synchrotron SOLEIL, près de Paris, ils ont produit des ions phosphore en cassant des molécules de trichlorure de phosphore à la lumière ultraviolette, en choisissant soigneusement l’énergie pour ne fabriquer que des ions dans leur état de plus basse énergie — un choix vérifié par une réaction test séparée.

Ils ont ensuite guidé les ions à travers une cellule d’acétylène à très basse pression, pour que chaque ion subisse au plus une collision, et compté les produits avec des spectromètres de masse, à des énergies de collision de 0,1 à 10 électronvolts. Des calculs de chimie quantique et un modèle amélioré de l’attraction entre les deux partenaires ont complété le tableau.

Un produit domine

À basse énergie :

• 99 % des réactions produisent l’ion HCCP⁺ et un atome d’hydrogène ;
• 1 % produisent CCP⁺ et une molécule d’hydrogène — dix fois plus que ne le prédisait le calcul de 2012.

La voie CCP⁺ ne devrait même pas être ouverte pour des ions dans leur état de « spin » magnétique habituel. Sa présence montre que la paire peut changer de spin pendant la rencontre, un processus appelé croisement intersystème. Les auteurs l’expliquent par des complexes faiblement liés qui durent assez longtemps pour que la bascule se produise — d’autant plus à basse énergie.

Un troisième produit signalé en 1989-1990, une molécule combinée, n’est jamais apparu. L’équipe l’attribue à la pression plus élevée de l’ancienne technique, et ne l’attend pas dans l’espace.

Plus rapide dans le froid

En convertissant leurs mesures en vitesses de réaction de 10 à 5 000 kelvins, ils trouvent 1,1 × 10⁻⁹ cm³ par seconde à température ambiante — proche de l’ancienne valeur — mais une vitesse qui augmente quand la température baisse, jusqu’à 1,3 × 10⁻⁹ à 10 kelvins, au lieu de la valeur constante utilisée jusqu’ici. La raison : la distribution allongée des charges électriques de l’acétylène attire l’ion plus fort que ne le suppose le modèle standard. Ils fournissent les formules prêtes à intégrer aux bases de données d’astrochimie.

Autour d’une vieille étoile carbonée

L’équipe a ajouté la réaction à un modèle chimique d’IRC +10216, une étoile évoluée riche en carbone, entourée d’une enveloppe où plusieurs molécules phosphorées ont été détectées. Les ions phosphore vivent surtout dans les couches externes, l’acétylène dans les couches internes, mais ils se rencontrent vers 3 × 10¹⁶ centimètres de l’étoile. Là, la réaction devient la principale porte d’entrée vers les ions porteurs de phosphore et la principale source de HCCP⁺. Dans les nuages interstellaires, la capture d’un électron par HCCP⁺ pourrait ensuite donner CP et CCP — deux des trois molécules déjà vues.

Le modèle prédit HCCP⁺ et CCP⁺ en quantités comparables. Pour le vérifier, il faudra que les télescopes les trouvent — et d’abord mesurer en laboratoire leurs signatures radio, ce qui, à la connaissance des auteurs, n’a jamais été fait.